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Digeste de la construction au Canada, 1969-10
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Murs préfabriqués en béton difficultées créées par leur tracé habituel
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 93F
Murs préfabriqués en béton
difficultées créées par leur tracé
habituel
Publié à l'origine en octobre 1969 J.K. Latta
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Le béton est un excellent matériau de construction. Produit de haute qualité préparé en manufacture, le béton préfabriqué offre au concepteur, pour l'exécution des plans d'un mur, des possibilités étendues dans les domaines de la forme, de la texture et de la couleur. Considéré dans son ensemble, un mur contient cependant d'autres parties que les éléments préfabriqués en béton. Comme il arrive toujours lorsqu'on assemble des matériaux de construction, des difficultés surgiront si les plans de l'ensemble du mur ne sont pas établis sur des principes scientifiques solides.
La philosophie de la présente méthode d'assemblage des murs préfabriqués en béton repose sur le fait que le mur consiste d'un ensemble des panneaux de béton et des joints entre ces panneaux que l'on peut rendre étanches à la pluie et à l'air. Pour compléter le mur, ou revêt l'intérieur d'isolation thermique et d'un revêtement de finition. Très souvent, le concepteur n'effectue aucune analyse correcte de l'influence que ces éléments exerceront sur les autres parties constitutives du mur. On se propose dans ce digeste de décrire quelques-unes des difficultés résultant de ce type de construction. On montrera également qu'il n'est pas raisonnable d'attendre une disparition de ces difficultés si l'on s'en tient à la pratique courante: il est donc indispensable d'apporter un correctif aux conceptions défectueuses des agencements de murs.
Quelques-unes des difficultés possibles
Parmi toutes les difficultés, celle que les occupants des bâtiments signalent le plus fréquemment est la présence d'eau dans leurs locaux. Nul ne supporte longtemps sans protestations de voir l'eau dégoutter des plafonds, ou s'écouler le long des murs. Ces inconvénients peuvent même dans les cas extrêmes interrompre les activités normales des personnes concernées. La présence, d'eau sur la surface intérieure d'un mur n'engendre pas de grands bouleversements. Dans les deux cas, cependant, il peut survenir une détérioration de
l'aspect des murs, des plafonds ou des éléments qui recouvrent les planchers, ainsi que des dommages aux meubles d'une pièce.
Les condensations sur les fenêtres ou leurs châssis constituent une difficulté de même nature. Dans ce cas, cependant, la cause immédiate des dommages est moins évidente. Aussi les protestations sont-elles moins nombreuses que si l'eau émerge mystérieusement des panneaux de murs ou sourd à travers les plafonds. Ces inconvénients sont parfois considérés par les concepteurs comme si inévitables qu'ils prévoient des gouttières de drainage. Ce remède ne donne malheureusement pas toujours satisfaction. Tantôt les trous de drainage sont bouchés par de la glace ou des saletés, tantôt l'existence d'une pression s'exerçant vers l'intérieur empêche l'évacuation de l'eau.
Un genre de détérioration moins apparent mais plus sérieux consiste dans la corrosion des connexions métalliques qui maintiennent les panneaux préfabriqués sur l'ossature du bâtiment. Si l'un des panneaux vient à se desserrer, tous les autres panneaux doivent être considérés comme suspects. Le travail de réparation serait en pareil cas très coûteux. La Division n'a reçu qu'un unique rapport concernant une défaillance de connexion. On a par contre observé, après des périodes de service relativement courtes, des connexions humides ou extrêmement rouillées. Il convient de préciser qu'une défaillance peut résulter non seulement d'une disparition de métal consécutive à la corrosion, mais aussi de l'action des forces de dilatation mises en jeu par les produits de la corrosion; le volume de ceux-ci est très supérieur à celui du métal dont ils proviennent. Ces forces sont capables d'extraire d'un panneau des éléments qui y étaient insérés: ce fait s'est produit dans le cas unique rapporté à la DRB.
Les rapports concernant les bris de vitres sont très fréquents. L'événement est souvent considéré comme une défaillance mystérieuse paraissant indépendante de l'emploi des panneaux préfabriqués. Ce genre de défaillance peut, en fait, être accentué en importance par certaines conceptions de base de l'ensemble d'un système de mur.
Il peut arriver que des charges soient transférées sur des panneaux de murs non destinés à les supporter. Cette difficulté, peut survenir s'il n'existe qu'un jeu insuffisant non seulement pour permettre les déplacements éventuels, mais aussi pour tenir compte des dimensions variées que peuvent présenter les panneaux dans les limites des tolérances de fabrication. On doit en particulier prévoir un jeu suffisant pour permettre la contraction d'un châssis d'ossature en béton et la flexion d'éléments horizontaux porteurs (CBD 54F); ces phénomène, sont dûs aux tensions élastiques, aux contractions lors du séchage, ou au fluage sous charges prolongées. Les transferts de charges ainsi produits peuvent entraîner le déplacement du panneau ou créer des craquelures et des effritements.
Les panneaux composites, dont l'isolant est placé entre deux plaques de béton, présentent, à côté de beaucoup d'avantages, des inconvénients spéciaux. Les deux plaques de béton sont soumises à des conditions différentes entraînant des contractions et des dilatations inégales. Si leur assemblage est rigide, les éléments connecteurs peuvent être cisaillés, et le panneau peut subir des craquelures ou des gauchissements. Les basses températures d'hiver provoquent la contraction de la plaque extérieure, mais non de la plaque intérieure; le panneau devient ainsi concave à l'extérieur. L'examen de panneaux sur le chantier ne révèle d'ailleurs pas ce phénomène comme cause déterminante des inconvénients. Tous les panneaux incurvés étaient en effet concaves à l'intérieur; il existait d'autre part d'avantage de craquelures sur la plaque intérieure que sur la plaque extérieure. Il semble, en conséquence, que la contraction provoquée lors du séchage sur la plaque intérieure joue, dans la naissance de ces inconvénients, un rôle plus important que la différence de température.
Des dégradations extérieures accompagnent souvent les inconvénients précédents, mais elles constituent rarement le motif principal de préoccupation. Dans certains cas, cependant, les considérations d'esthétique sont primordiales; les panneaux préfabriqués de béton étant souvent utilisés pour la décoration extérieure, il est alors important d'éviter les situations susceptibles d'enlaidir les bâtiments.
L'eau de pluie et les condensations qui se forment à l'intérieur du mur sont "douces" et par suite capables de dissoudre la chaux du ciment. Après diverses réactions où intervient le gaz carbonique, il se forme, au fur et à mesure de l'évaporation de l'eau, un dépôt de carbonate de calcium insoluble. Lorsqu'elle coule sur la surface du béton, l'eau tend en outre à devenir alcaline; si elle vient à couler sur une fenêtre, il y a danger de corrosion du verre.
Les causes
Les murs contenant des panneaux préfabriqués en béton sont, on vient de le voir, sujets à diverses défaillances. On pourrait donc penser que ces éléments ne conviennent pas aux constructions. On ne saurait, au contraire, trop insister sur le fait que le béton précoulé constitue un matériau à usages très divers, susceptible de donner d'excellents résultats dans une grande variété de bâtiments. Il n'en est pas moins utile d'examiner, en vue d'en déterminer les causes, les difficultés qui ont été signalées. Si les facteurs qui les engendrent pouvaient être tenus en échec grâce à des changements dans les conceptions des plans et les méthodes d'exécution des travaux, le matériau pourrait être utilisé d'une manière plus satisfaisante, le nombre des défauts étant par suite minimisé.
A l'origine de la plupart des difficultés se trouvent deux facteurs: l'eau sous ses formes variées et les différences de température. Séparément ou en liaison, ces agents de destruction concourent à ruiner les efforts des équipes de concepteurs et d'exécutants. Il est, par suite, nécessaire de déterminer pourquoi les murs, tels qu'ils sont actuellement construits, ne permettent pas de limiter l'action de ces deux facteurs.
Si l'on étudie en premier lieu la lutte contre l'eau, on découvre deux sources possibles d'humidité: la pluie et la vapeur d'eau atmosphérique. Lors de la construction, les travaux exécutés sur place introduisent de l'eau dans les bâtiments. Certains éléments fabriqués à l'extérieur contiennent également de l'humidité. Dans les deux cas cette eau est ordinairement convertie en vapeur au fur et à mesure du séchage des matériaux. On peut donc considérer qu'il s'agit d'une forte humidité régnant temporairement à l'intérieur d'un bâtiment.
Pénétration de la pluie. Le mode de pénétration de la pluie et les méthodes appropriées de protection ont été exposés dans CBD 40F. On a précisé que la pénétration de la pluie dans un mur suppose la présence d'eau sur le mur, l'existence d'un trou permettant le passage de cette eau, et l'action d'une force déplaçant le liquide vers l'intérieur. On a conclu que l'efficacité de la lutte contre la pénétration de l'eau était maximale lorsqu'on tenait en échec les quatre forces responsables du phénomène: force vive de la goutte d'eau, capillarité, gravité et pression de l'air. La présence, à l'extérieur du mur, d'un panneau préfabriqué de béton dense, exempt de craquelures, suffit à atteindre ce but. Le corps du panneau ne permet pas le passage de la pluie. Les difficultés sont donc en grande majorité limitées aux joints entre panneaux, ou entre panneaux et autres parties constitutives des murs, fenêtres par exemple.
Malgré des difficultés spéciales dûes principalement aux conditions thermiques auxquelles sont soumis les panneaux, il est possible de réaliser dans ces derniers cas des joints satisfaisants. Etant isolés du côté intérieur, les panneaux sont en hiver plus froids et en été plus chauds que s'il n'existait aucun isolant. Cette situation augmente l'importance des dilatations et contractions. Les déformations croissent dans les garnitures ou cordons préformés d'étanchéité. Les largeurs des joints doivent en conséquence être augmentées pour permettre les déformations, mais les joints élargis exigent de plus grandes quantités de matériaux de scellement; le risque d'affaissement de ces matériaux croît, et, dans quelques cas, les considérations d'esthétique interdisent une semblable solution. L'ultime extension des joints se produit, de plus, lorsque les températures sont les plus basses, les matériaux de scellement des joints les plus froids, et par suite les plus rigides. On peut imaginer des joints conformes aux principes exposés dans CBD 40F, mais, à cause de la détérioration des matériaux de scellement, inévitable à la longue, il n'est pas certain que de tels joints conserveront leur aptitude à s'opposer à la fois à la pluie et aux fuites d'air.
La discussion précédente présuppose des panneaux exempts de craquelures dont la présence pourrait considérablement modifier la situation. Les panneaux de béton présentent assez
fréquemment des craquelures de dimension capillaire. Elles sont d'ordinaire tolérées lorsqu'elles n'excèdent pas en largeur 0.005 pouce sur la face extérieure et 0.01 pouce sur la face intérieure. Il est nécessaire que le mode de fixation des panneaux à l'ossature du bâtiment permette les grands déplacements résultant des variations de température. Si la fixation n'est pas satisfaisante, les craquelures pourraient s'élargir et d'autres craquelures pourraient être induites. Lorsqu'une craquelure traverse un panneau, la capillarité, la gravité ou la pression de l'air peuvent provoquer le mouvement de l'eau à l'intérieur du mur, ouvrant ainsi une brèche dans la défense principale du mur contre la pénétration de la pluie.
Mouvements de la vapeur. Il existe deux processus différents suivant lesquels la vapeur d'eau présente dans l'air à l'intérieur d'un bâtiment peut traverser un mur en direction de l'extérieur. Ce sont le transport par les courants d'air et la diffusion à travers le matériau du mur. On a déjà indiqué dans CBD 72F que la première cause est de beaucoup la plus importante. Les mécanismes causant des différences de pression à travers le mur ont été étudiés dans CBD 23F. Si de l'air chargé de vapeur d'eau se déplace d'un endroit chaud vers un endroit froid, il se peut que sa température s'abaisse jusqu'au point de rosée avec production de condensation (CBD 1F). Ce phénomène peut se produire sans que l'air traverse le mur. Il peut cependant y pénétrer, être refroidi par contact avec les parties les plus froides, et retourner par convection à l'intérieur du bâtiment. On peut empêcher ce mouvement convectif de l'air soit en prévoyant un arrêt d'air sur le côté chaud de l'isolant, soit en supprimant les poches d'air dans lesquelles le phénomène peut se produire. Le panneau préfabriqué, situé sur le côté froid de l'isolant, ne peut agir que sur les fuites intéressant toute l'épaisseur du mur. La finition intérieure d'un mur constitue rarement un bouclier continu imperméable à l'air. Elle est en effet traversée par des canalisations, des conduites et des conducteurs électriques. Il serait donc difficile de la rendre étanche. Aucun arrêt d'air ne saurait éliminer les mouvements convectifs de l'air, à moins que l'isolant lui-même ne puisse jouer ce rôle ou, soit appliqué de manière à éliminer toutes les poches d'air.
Les faces intérieures des panneaux préfabriqués ne sont ordinairement pas finies à un haut degré de poli et les poches d'air entre l'isolant et le dos des panneaux sont fréquentes. Beaucoup d'entre elles sont reliées les unes aux autres et avec l'intérieur du bâtiment. Aux endroits faisant face à l'ossature, il est difficile d'appliquer l'isolant sur les panneaux. Aussi est-il parfois spécifié que l'ossature doit être isolée avant érection des panneaux et que, pour le reste des surfaces, l'isolant sera appliqué sur les panneaux après érection. Il est difficile de réaliser une bonne étanchéité à l'air aux points de jonction; les déplacements relatifs intervenant entre les deux parties engendrent en outre des craquelures aux points concernés. Ces craquelures aboutissent directement aux poches d'air situées entre le dos des panneaux froids de béton et l'isolant appliqué sur l'ossature.
Il existe ainsi dans beaucoup de cas un grand nombre de passages d'air traversant le mur de part en part, ou reliés à des poches situées sur le côté froid de l'isolant. En hiver, les courants d'air provenant du bâtiment et se dirigeant vers l'extérieur peuvent déposer dans le mur des quantités considérables d'eau qui coule vers le bas le long du dos des panneaux; tantôt elle émerge à la face extérieure du mur, tantôt elle suit divers passages à travers l'isolant et émerge à la face intérieure du mur. A l'intérieur, elle coule le long du mur ou s'accumule au-dessus des plafonds suspendus. Elle y provoque les difficultés si souvent signalées. A l'extérieur, elle forme des chandelles de glace, donne naissance à des taches de carbonate de calcium ou attaque les vitres de verre.
La vitesse du mouvement étant faible, la vapeur d'eau qui diffuse à travers le matériau du mur ne constitue pas normalement une difficulté sérieuse. Le déplacement d'une quantité notable d'eau exigerait un temps considérable et peu de bâtiments sont construits sur des sites où les intempéries persistent assez longtemps pour entraîner des conséquences nuisibles. Il convient cependant d'analyser les caractéristiques de diffusion de vapeur d'un mur; on devra apprécier s'il est nécessaire de créer une barrière convenant à la quantité de vapeur susceptible de se rassembler et à l'importance des dommages consécutifs pour le mur (CBD 57F). Sous des épaisseurs de 3 pouces et au-delà, normales pour des panneaux préfabriqués, le béton dense offre une forte résistance à la diffusion de la vapeur. Conformément aux principes exposés
dans CBD 57F, il convient de l'utiliser sur le côté de l'isolant où règne la plus haute pression de vapeur.
Conditions thermiques. La température des éléments connectés à un panneau froid coïncide, aux points de contact, avec celle du panneau. Elle ne pourrait en différer que si l'élément en cause pouvait engendrer un flux de chaleur vers le panneau et élever ainsi localement sa propre température. Les dimensions des panneaux étant considérables et la conductivité du béton dense étant élevée, la chaleur fournie au béton se répand sans difficulté dans celui-ci. Le panneau constituant l'élément d'ossature du mur, les éléments montés sur lui ne disposent pas d'un chemin compensateur permettant à la chaleur de les traverser aisément; aussi tendent-ils à rester froids.
Les châssis de fenêtres appartiennent à cette catégorie. La température peu élevée des panneaux de béton les refroidit; à leur tour, ils refroidissent les bords des vitres de verre. Pour diverses raisons, le centre des vitres peut être plus chaud. La résistance thermique plus élevée d'une fenêtre à vitres multiples maintient chaude la vitre intérieure; même dans le cas de vitres simples, la chaleur fournie par le système de chauffage des bâtiments peut produire un effet semblable; le verre du type destiné à absorber la chaleur est chauffé par le soleil. Ces phénomènes créent une situation dans laquelle le bord de la vitre, plus froid que le centre, est en état de tension. Si la différence de température est assez élevée, le verre se brise et, dans tous les cas, le châssis froid et les bords de la vitre souffrent de condensation.
Les connexions qui maintiennent le panneau sur l'ossature sont également refroidies à leur extrémité extérieure par contact avec le panneau. Il est cependant nécessaire qu'elles soient reliées, à leur extrémité intérieure, à des éléments importants de l'ossature du bâtiment capables de leur fournir de la chaleur. Même dans ces conditions, elles seront plus froides que l'air ambiant à l'intérieur du bâtiment. Comme il existe souvent des passages par lesquels cet air peut pénétrer dans le mur, il se peut que la connexion soit le siège de condensations. Il peut aussi survenir des fuites d'eau de pluie à travers des défauts du panneau ou de ses joints; dans ce cas également, la connexion sera humidifiée.
La conception du mur reposant sur le principe d'un système de panneaux opposant à l'air une barrière continue, il est impossible d'assécher la connexion par introduction d'air extérieur sur la face intérieure du panneau. Dans ces conditions, le degré d'humidité croît généralement avec le temps; la vitesse de corrosion augmente de ce fait.
Conclusion
Les panneaux préfabriqués en béton possèdent en puissance de hautes qualités justifiant leur emploi dans les murs des bâtiments modernes. Le concepteur doit cependant dessiner l'assemblage constituant le mur de manière à réaliser une séparation totale entre les conditions intérieures et extérieures. La pratique actuelle consistant à utiliser un panneau préfabriqué à la fois comme unité d'ossature du mur et comme façade extérieure, l'isolant étant posé sur la face intérieure, élargit le domaine des températures auxquelles sont soumis le panneau et les éléments qui lui sont reliés. Cette situation augmente la difficulté d'assurer d'une manière efficace et continue une double protection contre les fuites d'air et la pénétration de la pluie. Les inconvénients créés par les conditions thermiques sont aggravés de ce fait.
Un digeste ultérieur exposera une philosophie de la conception des murs permettant de vaincre les différentes difficultés.
